小型化宽带稳定波束喇叭馈源天线

dielectric lens for high gain performance,"2015international symposium on antennas and propagation(isap),2015,pp.1-2.


技术实现要素：

12.本发明旨在至少在一定程度上解决现有技术中的上述技术问题之一。为此，本发明实施例提供一种小型化宽带稳定波束喇叭馈源天线，解决了在小体积内实现宽带宽的矛盾，还使得馈源天线具有小型化轻量化的特点，使馈源天线能更好地得到广泛应用。
13.根据本发明实施例的小型化宽带稳定波束喇叭馈源天线，包括波导喇叭，所述波导喇叭的喇叭面开设有若干个凹槽，所述凹槽安装有第一介质加载，以在横向方向对宽带内波束形状进行控制，所述第一介质加载的相对介电常数大于1，所述第一介质加载设有金属镀层；以及第二介质加载，所述第二介质加载安装在所述波导喇叭的口径位置，所述第二介质加载包括多个渐变结构，所述渐变结构的中部向两端渐变缩小，以在纵向方向对宽带内波束形状进行控制，从而改善馈源的方向图各向对称性。
14.在可选或优选的实施例中，所述第二介质加载的横截面成十字状，所述第二介质加载包括等角度设置的四个所述渐变结构。
15.在可选或优选的实施例中，所述第二介质加载采用相对介电常数为2.8的聚碳酸酯介质。
16.在可选或优选的实施例中，所述凹槽开设至少两个，所述第一介质加载包括直径依次变大的多个环形体，各所述环形体安装在配合的所述凹槽中，各所述环形体同心安装在所述波导喇叭的喇叭面。
17.在可选或优选的实施例中，所述第一介质加载采用相对介电常数为2.8的聚碳酸酯介质。
18.在可选或优选的实施例中，所述凹槽开设两个，所述环形体设置两个，分别为位于内圈的第一圆环介质以及位于外圈的第二圆环介质。
19.在可选或优选的实施例中，所述第一圆环介质的内周面和上端面内沿设有金属镀层，所述第二圆环介质的下端面、外周面、内周面设置有金属镀层。
20.在可选或优选的实施例中，所述波导喇叭为四脊波导，所述波导喇叭包括喇叭本体以及等角度安装在所述喇叭本体内部的四个脊片。
21.基于上述技术方案，本发明实施例至少具有以下有益效果：上述技术方案，通过在波导喇叭上开设凹槽，并安放相对介电常数大于1的第一介质加载，第一介质加载可在横向方向对宽带内波束形状进行控制，形成“波纹喇叭 介质加载”的馈源结构，其工作原理和传统的波纹喇叭相同，也是通过改变口径表面的电流分布，进而改变电磁波分布，达到控制波束宽度的作用。因为第一介质加载的相对介电常数大于1，可以将馈源的e/h面方向图的稳定性提高，例如在更宽的带宽内控制馈源的10db波束宽度在(2θm)
±
10
°
内，并且馈源的端射方向增益也能控制得很稳定，可以将尺寸做得比传统波纹喇叭的尺寸要小一些，从而实现小型化轻量化。同时，第二介质加载在纵向方向在纵向方向对宽带内波束形状进行控制，可以将馈源的e/h面方向图的10db波束宽度从相差巨大调整到相互接近，进一步改善馈源的方向图各向对称性。
附图说明
22.下面结合附图和实施例对本发明进一步地说明；
23.图1是本发明实施例的透视图；
24.图2是本发明实施例的正视图；
25.图3是本发明实施例的剖视图；
26.图4是本发明实施例的俯视图；
27.图5是本发明实施例中第一介质加载的透视图；
28.图6是本发明实施例中第二介质加载的透视图；
29.图7是本发明实施例的仿真性能的s参数图；
30.图8是本发明实施例的天线端射方向增益图；
31.图9是本发明实施例的天线e面方向图；
32.图10是本发明实施例的天线h面方向图；
33.图11是本发明实施例的10db波束宽度的馈源方向图；
34.图12是本发明实施例的反射面天线方向性的示意图；
35.图13是本发明实施例的反射面天线口径效率的示意图。
具体实施方式
36.本部分将详细描述本发明的具体实施例，本发明之较佳实施例在附图中示出，附图的作用在于用图形补充说明书文字部分的描述，使人能够直观地、形象地理解本发明的每个技术特征和整体技术方案，但其不能理解为对本发明保护范围的限制。
37.在本发明的描述中，需要理解的是，涉及到方位描述，例如上、下、前、后、左、右等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
38.在本发明的描述中，若干的含义是一个或者多个，多个的含义是两个以上，大于、小于、超过等理解为不包括本数，以上、以下、以内等理解为包括本数。如果有描述到第一、第二只是用于区分技术特征为目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量或者隐含指明所指示的技术特征的先后关系。
39.本发明的描述中，除非另有明确的限定，设置、安装、连接等词语应做广义理解，所属技术领域技术人员可以结合技术方案的具体内容合理确定上述词语在本发明中的具体含义。
40.参照图1至图6，小型化宽带稳定波束喇叭馈源天线，包括波导喇叭10和第二介质加载30。波导喇叭10为四脊波导，波导喇叭10包括喇叭本体11以及等角度安装在喇叭本体11内部的四个脊片12。如图3，波导喇叭10具有反射腔13，并位于喇叭本体11的底部中。
41.其中，波导喇叭10的喇叭面开设有若干个凹槽，凹槽安装有第一介质加载20，以在横向方向对宽带内波束形状进行控制，第一介质加载20的相对介电常数大于1，本实施例中，第一介质加载20采用相对介电常数为2.8的聚碳酸酯介质。
42.在其中的一个实施例中，凹槽开设至少两个，第一介质加载20包括直径依次变大的多个环形体，各环形体安装在配合的凹槽中，各环形体同心安装在波导喇叭10的喇叭面。
具体的，凹槽开设两个，如图5所示，环形体设置两个，分别为位于内圈的第一圆环介质21以及位于外圈的第二圆环介质22。
43.另外，第一圆环介质20的内周面和上端面内沿设有金属镀层23，第一圆环介质20的上端面内沿指的是上端面靠近内周面的部分区域，第二圆环介质的下端面、外周面、内周面设置有金属镀层23。其中，本实施例中，“上端面”和“下端面”的方向参考图5，是为了描述第一圆环介质和第二圆环介质的结构，并不能理解为对本技术的保护限制。
44.可以理解的是，上述技术方案，通过在波导喇叭10上开设凹槽，并安放相对介电常数大于1的第一介质加载20，第一介质加载20可在横向方向对宽带内波束形状进行控制，形成“波纹喇叭 介质加载”的馈源结构，其工作原理和传统的波纹喇叭相同，也是通过改变口径表面的电流分布，进而改变电磁波分布，达到控制波束宽度的作用。因为第一介质加载的相对介电常数大于1，可以将馈源的e/h面方向图的稳定性提高，例如在更宽的带宽内控制馈源的10db波束宽度在(2θm)
±
10
°
内，并且馈源的端射方向增益也能控制得很稳定，可以将尺寸做得比传统波纹喇叭的尺寸要小一些，从而实现小型化轻量化。
45.如图1和图2所示，第二介质加载30安装在波导喇叭10的口径位置，第二介质加载30包括多个渐变结构31，渐变结构31的中部向两端渐变缩小，以在纵向方向对宽带内波束形状进行控制，从而改善馈源的方向图各向对称性。具体的，结合图6，第二介质加载30的横截面成十字状，第二介质加载30包括等角度设置的四个渐变结构31。第二介质加载30采用相对介电常数为2.8的聚碳酸酯介质。第二介质加载在纵向方向在纵向方向对宽带内波束形状进行控制，可以将馈源的e/h面方向图的10db波束宽度从相差巨大调整到相互接近，进一步改善馈源的方向图各向对称性。
46.通过第一介质加载和第二介质加载共同作用，经过综合调整可实现宽带内的波束宽度控制。
47.以下采用四脊波导喇叭加载介质的工作于17.48-40.31ghz的小型化的宽度反射面天线馈源作为例子，来说明本发明的技术方案。此外，本发明中的辐射口径设计同样适用于其他频段、其他形状口径、其他不同的馈电方式的反射面天线馈源设计。
48.图7给出了仿真性能的s参数图，可以看到，该例馈源天线能覆盖17.48-40.31ghz的频段范围，大于79％的相对带宽。
49.图8是馈源天线的端射方向增益图，在带内增益起伏低于1.7dbi。频带上下限分别对应的增益为8.91dbi@27.6ghz，10.59dbi@40.31ghz。随着频率的升高，可以看到增益是先增后减再增的趋势，起伏幅度较低，增益随频率变化较平稳。
50.图9给出了馈源天线在18.5、25.5、32.5、39.5ghz四个频点上的e面方向图，图10给出了馈源天线在18.5、25.5、32.5、39.5ghz四个频点上的h面方向图。可以看到，e面和h面上的方向图都是保持对称的。并且，可以看出e面和h面各频点的方向图在-10-0db范围内形状是十分接近的。
51.图11给出了10db波束宽度的馈源方向图，可以看出在整个接近80％相对带宽内，10db波束宽度在115
°±
10
°
的范围内起伏，并未超过该范围。这也表明该馈源天线的10db波束宽度控制得很稳定。
52.图12示意了该馈源天线照射在相对应反射面的方向性，第一旁瓣低至-23.89dbi，大部分旁瓣在-40dbi以下。
53.图13示意了该馈源天线照射在相对应反射面的口径效率，在整个工作带宽内都大于65％。可以看出，该馈源天线的等效相位中心稳定，不存在等效相位中心偏移的现象。
54.现有技术中，传统的波纹喇叭是使喇叭面在横向方向展开，进而控制宽带内的波束形状。本发明实施例中，采用了波导喇叭 第一介质加载 第二介质加载的结构，第一介质加载在横向方向对宽带内波束形状进行控制，第二介质加载在纵向方向对宽带内波束形状进行控制。如此，馈源天线的整体尺寸较现有的波纹喇叭方案中的馈源天线要小。本发明解决了在小体积内实现宽带宽的矛盾，还使得馈源天线具有小型化轻量化的特点，使馈源天线能更好地得到广泛应用。
55.传统的对数周期天线虽然有着很宽的工作带宽，但是其因为工作原理导致电流路径过长、损耗大，且高频和低频的等效相位中心有着较大偏移，使得对数周期天线无法获得高的口径效率，更无法在宽带内获得高的口径效率。发明实施例中，采用了波导喇叭 第一介质加载 第二介质加载的结构，既能实现在79％的相对带宽内控制增益稳定、控制波束宽度稳定，又能保证等效相位中心的稳定，实现了宽带内的高口径效率。
56.上面结合附图对本发明实施例作了详细说明，但是本发明不限于上述实施例，在所述技术领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下作出各种变化。